用于补偿虹膜成像的次佳定向的方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种成像设备，用于获得主体眼睛的一个或多个特征的图像以便进行 生物识别。本发明尤其可操作，以获得主体的虹膜图像用于虹膜识别。
【背景技术】
[0002] 基于脸部特征（包括眼睛的特征）的生物识别的方法是众所周知的。虹膜识别的 方法实现模式识别技术，以将获取的主体虹膜图像与先前获取的主体虹膜图像进行比较， 从而确定或验证主体的身份。使用数学/统计算法，基于图像，编码对应于所获取的虹膜图 像的数字模板。随后，将数字模板和先前编码的数字模板（对应于先前获取的虹膜图像） 的数据库进行比较，用于定位匹配，从而确定或验证主体的身份。
[0003] 众所周知，虹膜识别系统在电磁频谱的可见区域（400nm到700nm)或近红外区域 (700-900nm)或这两者的组合的范围内获取虹膜的图像。
[0004] 用于虹膜识别的设备可以包括用于捕捉主体虹膜图像的成像设备以及用于将捕 捉的图像和先前储存的虹膜图像信息进行比较的图像处理设备。成像设备和图像处理设备 可以包括分离的装置，或者可以在单个装置内组合。
[0005] 在操作期间，人们发现，⑴主体眼睛的定位以及（ii)主体虹膜的方向相对于成 像设备具有针对图像采集和优化编码以及随后匹配虹膜图像的数字模板的结果。
[0006] 图1示出了针对图像捕捉的主体眼睛的适当定位的一些考虑因素。如图1中所示， 虹膜相机1C具有有限的并且固定的视场F0V(S卩，能够在相机的图像传感器上捕捉的检查 的体积）。在图1中，视场F0V是由虚线Fvl和Fv2限定的区域。虹膜相机1C另外具有景 深D0F，其中，景深D0F限定区域，在该区域内，主体的虹膜显得可接受地清晰，并且具有充 足的细节，用于虹膜图像捕捉的目的。在图1中，景深D0F是沿着z轴在虚线Dfl与Df2之 间的区域。虽然在附图中未明确显示，但是虹膜相机1C可以包括图像传感器和相机透镜。
[0007] 为了图像获取，主体的眼睛E需要放在由视场F0V和景深D0F的交叉点限定的图 像捕捉区域内，这确保了所获取的虹膜图像具有充足的清晰度和细节。保留在视场F0V区 域的外面的主体的眼睛E的部分不会被虹膜相机1C获取。同样，如果主体的眼睛E放在景 深D0F区域的外面，那么所获取的图像会不聚焦（如果在朝着虹膜相机1C的方向并且处于 景深D0F区域的外面），或者会具有不充分的虹膜纹理细节（如果在远离虹膜相机1C的方 向并且处于景深D0F区域的外面）。
[0008] 除了将主体的眼睛适当地放在由视场F0V和景深D0F的交叉点限定的图像捕捉区 域内以外，还优选地确保主体的虹膜相对于虹膜相机1C的光轴0适当地定向，以确保虹膜 部分在图像获取期间不变形或堵塞。例如，如果引导主体凝视周边，那么虹膜朝着眼眶开口 的一侧移动，这造成仅仅一部分虹膜和/或变形的虹膜视图的图像获取。为了最佳虹膜图 像获取，虹膜应基本朝着眼眶开口的中心定位，并且大体沿着虹膜相机1C的光轴0位于中 心，用于图像采集。
[0009] 通过提供反馈对象，可以实现相对于虹膜相机的光轴（i)定位主体的眼睛和（ii) 确保虹膜的最佳方向的目标。其中，主体需要引导凝视该反馈对象，以用于图像采集。定位 反馈对象，从而在引导主体的眼睛凝视反馈对象查看时，主体的眼睛位于在由虹膜相机的 视场和景深的交叉点限定的图像捕捉区域内的适当位置。另外，反馈对象以这样一种方式 定位，即引导主体凝视反馈对象，确保虹膜在眼框开口内以及沿着相机的光轴的最佳定位。 [0010] 反馈对象可以是任何可见物体，并且定位成确保眼睛以及虹膜的适当定位，以用 于图像获取。反馈对象的实例包括数字、字符、文本、插图、图像或照明源。反馈对象可以由 环境光照明用于查看，或者可替换地，可以由在成像设备内的一个或多个光源照明。
[0011] 用于确保主体眼睛定位的反馈对象的一个实现方式包括反射元件（例如，反射 镜），其设置在成像设备内。在主体的眼睛适当地定位在虹膜相机的视场内用于图像采集 时，反射元件形成主体的眼睛的图像，该图像对于主体而言可见。这样形成的图像提供了 主体眼睛被适当定位以便进行成像的积极的可见指示。在反射元件是适当弯曲的反射元件 (例如，凹面反射镜）的情况下，主体眼睛的图像仅仅在主体眼睛位于虹膜相机的景深区域 内时才会清晰地出现。如果眼睛在虹膜相机的视场内，但是在景深的外面，那么主体会看到 其自己眼睛的变形的或不聚焦的图像，从而提供错误定位的可见指示。会理解的是，在这种 情况下，主体的眼睛被用作反馈对象。
[0012] 在反馈对象的特定实现方式中，弯曲的反射元件可以包括滤光片（例如，带通滤 光片或冷光镜），其放在虹膜相机与主体的眼睛之间。可以选择滤光片，以允许红外线照射 穿过，同时反射可见波长。这确保反射可见光以形成主体眼睛的图像，而允许红外线波长到 达虹膜相机用于图像获取。
[0013] 由于虹膜相机的尺寸/空间限制或有限的景深，所以在主体眼睛需要非常接近反 馈对象时，虹膜成像的先有技术系统中的缺点被注意到。
[0014] 人眼不能适当地聚焦在比特定距离更接近眼睛的物体上。物体可以由眼睛聚焦的 最接近的点称为眼睛的"近点"，并且这个近点通常理解为与眼睛相距大约25cm(对于正常 成年人而言）。为了这个书面描述的目的，在主体的眼睛与眼睛的近点之间的距离称为眼睛 的"近点距离"。
[0015] 由于这种反馈对象需要放置在与眼睛相距至少25cm的位置以便能够适当地查 看，所以在提供反馈对象以便能够将眼睛定位在虹膜相机的前面时，眼睛的近点呈现明显 的限制。由于在某些设备内，虹膜相机和反馈对象均设置在成像设备上或成像设备内，所以 在图像获取期间，必须将眼睛定位在与反馈对象相距25cm(或更远）的位置，需要将成像设 备（以及因此虹膜相机）放置在与主体的眼睛相距至少25cm的位置。这反过来要求虹膜 相机具有至少25cm的图像捕捉距离。
[0016] 因此，不支持至少25cm的图像捕捉距离的相机面临与虹膜定位系统相结合用于 图像获取的挑战，这是因为所述相机不能支持在主体的眼睛与成像设备之间所需要的25cm 间隔。这种情况在嵌入手持式通信装置或移动计算装置（例如，移动电话、智能电话、个人 数字助理、平板电脑或膝上型装置）内的相机中尤其明显，其中，由于（i)尝试减小手持式 通信装置的厚度，（ii)减小虹膜相机的尺寸，以及（iii)需要能够捕捉具有充足的光学和 像素分辨率的虹膜图像，所以能够进行虹膜成像（具有充足的清晰度和细节）所需要的图 像捕捉距离通常远远小于25cm，并且可能在小于12. 5cm的范围内。
[0017] 此外，必须确保在眼睛与设置在成像设备上或成像设备内的反馈对象之间具有距 离25cm，这被认为明显增大成像设备本身的尺寸。
[0018] 除了在本领域中的以上缺点以外，还优选尽可能减少相对于虹膜相机的水平和垂 直轴的，主体的头部和/或眼睛（以及因此虹膜）的相应的水平和垂直轴之间角度偏差。
[0019] 虽然主体易于将其头部自然放在基本垂直的方向（即，相对于水平和垂直轴没有 明显的角度偏差）用于图像获取，但是虹膜相机无意中的倾斜会引起引起不希望的角度偏 差。
[0020] 优选虹膜图像在以下时刻由虹膜相机获取：⑴在主体虹膜和虹膜相机的相应的 垂直轴之间的角度偏差是0,以及（ii)在主体虹膜和虹膜相机的相应的水平轴之间的角度 偏差是0时。
[0021] 虽然用于虹膜识别的已知编码和比较算法可以在数学上补偿主体虹膜和虹膜相 机的相应轴在0°与360°之间的任何角度偏差，但是补偿增加了计算复杂度以及执行时 间。因此，在图像获取时，最小化或者完全消除在主体的头部（以及虹膜）和虹膜相机的相 应水平轴和垂直轴之间的角度偏差产生了的优势。
【发明内容】
[0022] 本发明包括一种用于在虹膜图像捕捉期间补偿虹膜成像设备的次佳定向的方法， 所述虹膜成像设备包括虹膜相机和偏差传感器。所述方法包括通过偏差传感器，检测在所 述虹膜相机的当前定向与所述虹膜相机的预定最佳定向之间的偏差。响应于所检测的偏 差，所述方法实现校正，以补偿所检测的偏差。
[0023] 实现校正以补偿所检测的偏差可以包括确定在需要施加到捕捉的虹膜图像的相 应旋转，以补偿所检测的偏差。在一个实施方式中，实现校正包括以确定的旋转量旋转获取 的虹膜图像。在另一个实施方式中，实现校正包括重新定向所述虹膜相机从而与所述虹膜 相机的所述预定最佳定向基本对应。
[0024] 在一个实施方式中，所述虹膜相机的预定最佳定向可以包括在所述虹膜相机内的 参考平面与垂直平面的基本对准。在一个特定的实施方式中，所述虹膜相机的预定最佳定 向可以包括包括在所述虹膜相机内的参考平面与由重力场梯度以及垂直于所述重力场梯 度的轴限定的平面基本对准。
[0025] 由偏差传感器检测的偏差可以包括所述虹膜相机的参考平面至少相对于水平和 垂直轴的角度偏差。所述检测的偏差可以包括所述虹膜相机的参考平面至少相对于重力场 梯度以及垂直于所述重力场梯度的轴的角度偏差。
[0026] 在该方法的一个实施方式中，在其内设置所述虹膜相机的图像传感器的平面用作 参考平面，用于从中确定所述预定最佳定向或与所述预定最佳定向的偏差。
[0027] 在本发明的一个实施方式中，重新定向所述虹膜相机可以包括警告操作人员，以 减少在所述虹膜相机的当前定向与所述虹膜相机的预定最佳定向之间的偏差。
[0028] 在一个实施方式中，所述偏差传感器是加速计、陀螺仪或倾斜传感器中的任一个。
[0029] 本发明可以另外包括一种虹膜成像设备，其被配置用于在虹膜图像捕捉期间补偿 虹膜成像设备的次佳定向。所述设备包括：虹膜相机和偏差传感器。虹膜相机可以包括图 像传感器和相机透镜。偏差传感器可以被配置为检测在所述虹膜相机的当前定向与所述虹 膜相机的预定最佳定向之间的偏差，以便响应于所检测的偏差，所述设备实现校正，以补偿 所检测的偏差。
[0030] 所述设备可以被配置为为确定需要施加到捕捉的虹膜图像的相应旋转，以补偿所 检测的偏差。
[0031] 在虹膜成像设备的一个实施方式中，所述偏差传感器可以是加速计、陀螺仪或倾 斜传感器中的任一个。
[0032] 所述设备可以进一步包括处理器和用户接口中的至少一个。
[0033] 在该设备的一个实施方式中，所述虹膜相机和所述偏差传感器可以设置在手持式 通信装置、移动计算装置、移动电话、智能电话、个人数字助理、平板电脑或膝上型装置中的 任一个内。
[0034] 本发明另外提供一种供计算机使用的计算机程序产品，用于在虹膜图像捕捉期间 校正虹膜成像设备的倾斜。所述计算机程序产品可以包括永久性计算机可使用的介质，其 具有在其内体现的计算机可读程序代码。所述虹膜成像设备可以包括虹膜相机和偏差传感 器。所述计算机可读程序代码可以包括指令，用于（i)通过偏差传感器，检测在所述虹膜相 机的当前定向与所述虹膜相机的预定最佳定向之间的偏差；并且（ii)响应于所检测的偏 差，实现校正，以补偿所检测的偏差。
【附图说明】
[0035] 图1示出了主体的眼睛的定位，用于通过虹膜相机进行图像捕捉；
[0036] 图2示出了用于虹膜识别的设备的功能方框图；
[0037] 图3示出了在超过眼睛的近点距离处形成的主体的眼睛的直立、清晰的虚像的反 射光学系统；
[0038] 图4到图6示出了具有用于提供主体的眼睛的影像作为反馈对象的反射光学系统 的成像设备的实施方式；
[0039] 图6A到6C示出了成像设备的虹膜相机和反射光学系统的各种方向；
[0040] 图7示出了具有插入在主体的眼睛与虹膜相机之间的反射光学系统的成像设备 的实施方式；
[0041] 图8示出了超过主体的眼睛的近点距离形成反馈对象的虚像的光学系统；
[0042] 图9到图12F示出了具有用于形成反馈对象的虚像的光学系统的成像设备的实施 方式；
[0043] 图13和图14示出了具有插入在主体的眼睛与虹膜相机之间的反射光学系统的成 像设备的另一个实施方式；
[0044] 图15A到图15F示出了用于成像设备的反射光学系统的实施方式；
[0045] 图16A到图16F示出了用于设置在外壳内的成像设备的反射光学系统的特定实施 方式；
[0046] 图17A和图17B示出了用于改变在对象之间的光路的示例性光学元件；
[0047] 图18示出了可以在其中实现本发明的各种实施方式的示例性计算机系统。
【具体实施方式】
[0048] 图2是用于虹膜识别的设备的功能方框图，包括成像设备202和图像处理设备 204。成像设备202获取主体的虹膜的图像，并且将图像传输给图像处理设备204。由成像 设备202捕捉的图像可以是静止图像或视频图像。图像处理设备204随后分析基于捕捉的 主体虹膜图像而编码的数字模板并且将基于捕捉的主体虹膜图像编码的数字模板和基于 先前获取的虹膜图像编码的数字模板，以便识别主体或者验证主体的身份。
[0049] 虽然在图2中未显示，但是虹膜识别设备200可以包括其他元件，包括用于从视频 图像中提取静止帧，用于处理和数字化图像数据、注册（捕捉和储存主体的虹膜信息并且 将储存的信息与该主体唯一地相关联的处理）以及比较（将从主体中获取的虹膜信息和先 前在注册期间获取的信息进行比较，用于识别或验证主体身份的处理），并且用于在设备的 元件之间启用通信。成像设备、图像处理设备以及虹膜识别设备的其他元件每一个均可以 包括分离的装置，或者可